Тепловой двигатель
Полезная модель относится к устройствам, преобразующим тепловую энергию в механическую энергию.
В тепловом двигателе для преобразования тепловой энергии в механическую, использующем в качестве рабочего тела газ, выполненным в виде вращающегося корпуса, имеющим радиальные каналы и каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, служащие соответственно камерами сжатия, нагрева и расширения рабочего тела, рабочее тело вводится во вращающийся корпус на более удаленном расстоянии от оси вращения, чем выводится из него, проходя между выходом и входом через холодильник, служащий камерой охлаждения рабочего тела.
Полезная модель позволяет повысить КПД преобразования тепловой энергии в механическую.
6 з.п. ф-лы., 4 ил.
Полезная модель относится к устройствам, преобразующим тепловую энергию в механическую энергию.
Известен тепловой двигатель (см. Крутов В.И. Теплотехника, М., Машиностроение, 1986, с.192-198, рис.4.17), содержащий контур сжатия, выполненный в виде многоступенчатого лопастного компрессора, камеру сгорания топлива и контур расширения - в виде многоступенчатой лопастной турбины.
Основным недостатком данной конструкции является низкий механический КПД, обусловленный большими механическими потерями в лопастных машинах, которые многократно преобразуют скоростной напор газа в потенциальную энергию его сжатия и обратно. Соответственно, общий КПД преобразования тепловой энергии в механическую тоже оказывается невысоким. Например, в наиболее часто применяемых в газотурбинных двигателях многоступенчатом осевом компрессоре механический КПД составляет 0.85, а в многоступенчатой осевой турбине - тоже около 0,85. Следовательно, общий механический КПД газотурбинного двигателя будет равен: 0,85×0,85=0,72, что, даже при достаточно высоком термодинамическом КПД=0,5, дает общий КПД газотурбинного двигателя не более 0,36.
Наиболее близким тепловым двигателем является тепловой двигатель для преобразования тепловой энергии в механическую (см. RU 2084666, кл. F02C 3/16, 20.07.1977), использующий в качестве рабочего тела газ, состоящий из последовательно соединенных между собой камеры сжатия рабочего тела, камеры нагрева рабочего тела, камеры расширения рабочего тела и камеры охлаждения рабочего тела, выполненный в виде вращающегося корпуса, имеющего радиальные каналы и каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, при этом радиальные каналы, идущие от оси вращения к периферии корпуса, служат камерой сжатия рабочего тела, каналы, расположенные ближе к периферии корпуса служат камерой нагрева рабочего тела, каналы, идущие от периферии к оси вращения корпуса служат камерой расширения рабочего тела, причем сжатие и расширение рабочего тела в радиальных каналах вращающегося корпуса происходит в поле центробежных сил.
Недостатком известного теплового двигателя для преобразования тепловой энергии в механическую является недостаточно высокий КПД.
Задачей полезной модели является устранение отмеченного недостатка.
Технический результат, на достижение которого направлена данная полезная модель, заключается в повышении КПД двигателя.
Задача решается, а указанный технический результат достигается тем, что в тепловом двигателе для преобразования тепловой энергии в механическую, использующем в качестве рабочего тела газ, выполненным из последовательно соединенных между собой камеры сжатия рабочего тела, камеры нагрева рабочего тела, камеры расширения рабочего тела и камеры охлаждения рабочего тела, в виде вращающегося корпуса, имеющего радиальные каналы и каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, при этом радиальные каналы, идущие от оси вращения к периферии корпуса, служат камерой сжатия рабочего тела, каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, служат камерой нагрева рабочего тела, каналы, идущие от периферии к оси вращения корпуса, служат камерой расширения рабочего тела, причем сжатие и расширение рабочего тела в радиальных каналах вращающегося корпуса происходит в поле центробежных сил, рабочее тело вводится в радиальные каналы вращающегося корпуса, идущие от оси вращения к периферии, на более удаленном расстоянии от оси вращения, чем выводится из радиальных каналов вращающегося корпуса, идущих от периферии к оси вращения, проходя между выходом и входом через холодильник, служащий камерой охлаждения рабочего тела.
Указанный технический результат достигается также тем, что в тепловом двигателе для преобразования тепловой энергии в механическую в качестве рабочего тела применен газ с большой молярной массой, например, ксенон или фторид серы (элегаз).
Указанный технический результат достигается также тем, что в тепловом двигателе для преобразования тепловой энергии в механическую нагрев рабочего тела в периферийных каналах осуществляется тепловым излучением от нагревателя, размещенного с зазором вокруг вращающегося корпуса.
Указанный технический результат достигается также тем, что в тепловом двигателе для преобразования тепловой энергии в механическую нагрев рабочего тела в периферийных каналах осуществляется в теплообменнике, имеющем тепловой контакт с периферийными каналами, посредством теплопередачи от нагретого вещества-теплоносителя.
Указанный технический результат достигается также тем, что в тепловом двигателе для преобразования тепловой энергии в механическую в качестве вещества-теплоносителя применен газ с небольшой молярной массой, например, водород или гелий.
Указанный технический результат достигается также тем, что в тепловом двигателе для преобразования тепловой энергии в механическую в качестве рабочего тела применен атмосферный воздух, его нагрев в периферийных каналах осуществляется за счет тепла, выделяемого при впрыске и сгорании топлива в периферийных каналах, а в качестве камеры охлаждения рабочего тела используют атмосферу.
Указанный технический результат достигается также тем, что в тепловом двигателе для преобразования тепловой энергии в механическую в качестве холодильника рабочего тела используют неподвижный охлаждаемый теплообменник, связанный через уплотнительные устройства и трубопроводы с входными и выходными каналами вращающегося корпуса.
На фиг.1 изображен тепловой двигатель, в котором рабочий газ получает нагрев от нагревателя путем теплового излучения.
На фиг.2 изображен тепловой двигатель, в котором рабочий газ получает нагрев от вещества-теплоносителя.
На фиг.3 изображен тепловой двигатель в котором рабочий газ получает нагрев от продуктов сгорания топливной смеси в каналах теплообменника.
На фиг.4 изображен вариант исполнения теплового двигателя, в котором в качестве рабочего тела применен атмосферный воздух, получающий нагрев за счет теплоты сгорания топлива.
Тепловой двигатель, изображенный на фиг.1, выполнен в виде вращающегося цилиндрического корпуса 1 с подшипниками 2. Внутри корпуса 1 размещены радиальные каналы 3, идущие от оси вращения к периферии корпуса 1, периферийные каналы 4, расположенные вблизи от наружной цилиндрической поверхности корпуса 1, и радиальные каналы 5, идущие от периферии к оси вращения корпуса 1. Подвод рабочего тела, например, газа ксенона, в радиальные каналы 3 корпуса 1 производится через уплотнительное устройство 6, центробежный нагнетатель 7 и входные каналы 8. Отвод рабочего тела из вращающегося корпуса 1 производится через уплотнительное устройство 9, которое трубопроводами через теплообменник 10 соединено с уплотнительным устройством 6, служащим для входа газа во вращающийся цилиндрический корпус 1. Входные каналы 8 расположены на большем удалении от оси вращения корпуса 1, чем уплотнительное устройство 9, служащее выходным каналом рабочего тела. Центробежный нагнетатель 7 может иметь возможность независимого вращения внутри корпуса 1 от какого-либо дополнительного привода. Концентрично наружной цилиндрической поверхности корпуса 1 размещен нагреватель 11.
Тепловой двигатель, изображенный на фиг.1, работает следующим образом.
Перед началом работы теплового двигателя корпус 1 раскручивается от какого-либо источника вращательного движения (стартера) до высоких оборотов, а крыльчатка центробежного нагнетателя 7 также раскручивается в том же направлении вращения, что и корпус 1, но до более высоких оборотов. За счет избыточного давления, создаваемого центробежным нагнетателем 7, через уплотнительное устройство 6 рабочее тело (в дальнейшем тексте - газ) при начальном (минимальном) давлении Р0 и начальной (минимальной) температуре Т0 начинает поступать по оси вращения в центробежный нагнетатель 7 и, далее, через входные каналы 8 газ поступает в радиальные каналы 3. Проходя через радиальные каналы 3 от оси вращения к периферии корпуса 1 газ под действием центробежной силы адиабатически сжимается до давления Р1, при этом его температура возрастает до значения Т1. Далее газ проходит по периферийным каналам 4, где под действием теплового излучения нагревателя 11 нагревается изобарически при давлении P1 до температуры Т2. После прохождения периферийных каналов 4 сжатый и нагретый газ поступает в радиальные каналы 5. Соотношение длины радиальных каналов 3 и 5 и расстояние входа в каналы 3 по отношению к расстоянию выхода из каналов 5 относительно оси вращения корпуса 1 подобраны таким образом, что в каналах 5 газ адиабатически расширяется до давления Р0, охлаждаясь при этом до температуры Т3. Из формул адиабатического закона следует, что Т0<Т2. Через уплотнительное устройство 9 газ при Р0 и Т2 по трубопроводу поступает на вход теплообменника 10, проходя через который при давлении Р0 изобарически охлаждается до температуры То, и вновь возвращается к входному уплотнительному устройству 6. После возникновения самоподдерживающейся циркуляции газа через все контуры теплового двигателя вращение центробежного нагнетателя 7 останавливают, и он в дальнейшем принимает участие в работе лишь в качестве направляющего аппарата для потока рабочего газа. При адиабатном сжатии газа в радиальных каналах 3 от давления P0 до давления P1 и от температуры T0 до температуры T1 необходимо затратить работу сжатия Ac . Работа Ac производится над газом центробежными силами, а за счет сил Кориолиса, к вращающемуся корпусу 1 будет приложен тормозной момент. При адиабатном расширении газа в радиальных каналах 5 от давления P1 до давления P0 и от температуры T2 до температуры T3 производится работа расширения Ap. Работа Ap производится газом против центробежных сил, а за счет сил Кориолиса, к вращающемуся корпусу 1 будет приложен вращающий момент.
Согласно адиабатному закону термодинамики работа Ac, необходимая для сжатия холодного газа от P 0 до P1 при конечной температуре T1 , меньше Ap - работы расширения горячего газа от P 1 до P0 при начальной температуре T2 , так как T1<T2. Следовательно, вращающий момент, приложенный к корпусу 1, больше по величине, чем приложенный к нему же тормозной момент. Таким образом, корпус 1 теплового двигателя получает принудительное вращение, которое передается на потребителей механической энергии. В предлагаемом тепловом двигателе нет многократного преобразования кинетической энергии газа в потенциальную энергию его сжатия и обратно, влекущее за собой большие потери, как в газовой турбине, поэтому при одинаковых исходных, промежуточных и максимальных значениях температур, КПД предлагаемого теплового двигателя выше, чем у газовой турбины. Для повышения удельной мощности начальное давление P0 следует выбирать максимально высоким.
Для повышения КПД преобразования тепловой энергии в механическую следует применять газ с высокой молярной массой и показателем адиабаты, например, ксенон или фторид серы (элегаз), а также поддерживать максимально высокую окружную скорость вращающегося цилиндрического корпуса, что влечет за собой больший перепад давлений и температур. Поскольку нагреватель никак не связан с подвижными деталями теплового двигателя, то его нагрев до высокой температуры можно осуществлять любыми известными в технике способами, что повышает утилитарность предлагаемого теплового двигателя.
Расчеты показывают, что при применении ксенона с молярной массой M=0,131 кг/моль в качестве рабочего тела, и при окружной скорости V=300 м/с, повышение температуры газа при его сжатии составит:
dT=M×V×V/(2×Cp)=M×V×V/(2×2,5×R)=0,131×300×300/(2×2,5×8,31)=283 град K.
Соответственно, термический КПД, при начальной температуре T0=300 град K, составит:
КПД=dT/(To+dT)=283/(300+283)=0,48=48%.
При окружной скорости V=400 м/с dT будет равно 504 град K, а КПД=63%.
При окружной скорости V=500 м/с dT уже будет равно 788 град K, а КПД=72%.
Тепловой двигатель, изображенный на фиг.2 состоит из цилиндрического корпуса 1, вращающегося в подшипниках 2. Внутри корпуса 1 размещены радиальные каналы 3, идущие от оси вращения к периферии корпуса 1, периферийные каналы 4, расположенные вблизи от наружной цилиндрической поверхности корпуса 1, и радиальные каналы 5, идущие от периферии к оси вращения корпуса 1. Подвод рабочего тела, например, газа ксенона, в радиальные каналы 3 корпуса 1 производится через уплотнительное устройство 6, центробежный нагнетатель 7 и входные каналы 8. Отвод рабочего тела из вращающегося корпуса 1 производится через уплотнительное устройство 9, которое трубопроводами через теплообменник 10 соединено с уплотнительным устройство 6, служащим для входа газа во вращающийся цилиндрический корпус 1. Входные каналы 8 расположены на большем удалении от оси вращения корпуса 1, чем уплотнительное устройство 9, служащее выходным каналом рабочего тела. Центробежный нагнетатель 7 имеет возможность независимого вращения внутри корпуса 1 от какого-либо дополнительного привода. Внутри корпуса 1 размещен также теплообменник 11, каналы которого находятся в тепловом контакте с периферийными каналами 4, в которых циркулирует рабочий газ. Через уплотнительные устройства 12 и 13 вещество-теплоноситель подводится к теплообменнику 11 и отводится от него. Вещество-теплоноситель нагревается перед подачей в теплообменник 11 в отдельном удаленном теплообменнике (на чертеже не показан) за счет любого известного в технике источника тепловой энергии.
Тепловой двигатель, изображенный на фиг.2 работает точно так же, как двигатель, изображенный на фиг.1 (что описано выше), за исключением того, что рабочий газ в периферийных каналах 4 нагревается не за счет теплового излучения от удаленного нагревателя, а путем теплообмена с веществом-теплоносителем в каналах теплообменника 11. В качестве вещества-теплоносителя целесообразно применять газ с низкой молярной массой, например, водород или гелий. Также в качестве вещества-теплоносителя могут непосредственно служить нагретые газы, образующиеся в какой-либо камере сгорания, что поможет отказаться от удаленного теплообменника для нагрева вещества-теплоносителя.
Тепловой двигатель, изображенный на фиг.3 состоит из цилиндрического корпуса 1, вращающегося в подшипниках 2. Внутри корпуса 1 размещены радиальные каналы 3, идущие от оси вращения к периферии корпуса 1, периферийные каналы 4, расположенные вблизи от наружной цилиндрической поверхности корпуса 1, и радиальные каналы 5, идущие от периферии к оси вращения корпуса 1. Подвод рабочего тела, например, газа ксенона, в радиальные каналы 3 корпуса 1 производится через уплотнительное устройство 6, центробежный нагнетатель 7 и входные каналы 8. Отвод рабочего тела из вращающегося корпуса 1 производится через уплотнительное устройство 9, которое трубопроводами через теплообменник 10 соединено с уплотнительным устройством 6, служащим для входа газа во вращающийся цилиндрический корпус 1. Входные каналы 8 расположены на большем удалении от оси вращения корпуса 1, чем уплотнительное устройство 9, служащее выходным каналом рабочего тела. Центробежный нагнетатель 7 имеет возможность независимого вращения внутри корпуса 1 от какого-либо дополнительного привода. Внутри корпуса 1 размещены также радиальные каналы 14, в которых атмосферный воздух сжимается под действием центробежных сил, камера сгорания 15, в которую по топливопроводам 16 впрыскивается топливо и сгорает в ней, находящаяся в тепловом контакте с периферийными каналами 4, в которых циркулирует рабочий газ, радиальные каналы 17, в которых происходит расширение продуктов сгорания против центробежных сил, выходные осевые каналы 18 для вывода продуктов сгорания в атмосферу, и центробежный нагнетатель воздуха 19 с осевыми каналами 20 для входа воздуха из атмосферы. Центробежный нагнетатель 19 имеет возможность независимого вращения внутри корпуса 1 от какого-либо дополнительного привода.
Тепловой двигатель, изображенный на фиг.3, работает следующим образом.
Перед началом работы теплового двигателя корпус 1 раскручивается от какого-либо источника вращательного движения (стартера) до высоких оборотов, а крыльчатка центробежного нагнетателя 7 также раскручивается в том же направлении вращения, что и корпус 1, но до более высоких оборотов. За счет избыточного давления, создаваемого центробежным нагнетателем 7, через уплотнительное устройство 6 рабочее тело (в дальнейшем тексте - газ) при начальном (минимальном) давлении Р0 и начальной (минимальной) температуре Т0 начинает поступать по оси вращения в центробежный нагнетатель 7 и, далее, через входные каналы 8 газ поступает в радиальные каналы 3. Проходя через радиальные каналы 3 от оси вращения к периферии корпуса 1 газ под действием центробежной силы адиабатически сжимается до давления Р1 , при этом его температура возрастает до значения Т1 . Далее газ проходит по периферийным каналам 4, где за счет теплообмена с горячими продуктами сгорания в камере сгорания 15, нагревается изобарически при давлении P1 до температуры Т 2. После прохождения периферийных каналов 4 сжатый и нагретый газ поступает в радиальные каналы 5. Соотношение длины радиальных каналов 3 и 5 и расстояние входа в каналы 3 по отношению к расстоянию выхода из каналов 5 относительно оси вращения корпуса 1 подобраны таким образом, что в каналах 5 газ адиабатически расширяется до давления Р0, охлаждаясь при этом до температуры Т3. Из формул адиабатического закона следует, что Т0<Т3. Через уплотнительное устройство 9 газ при Р0 и Т3 по трубопроводу поступает на вход теплообменника 10, проходя через который при давлении Р0, изобарически охлаждается до температуры Т 0, и вновь возвращается к входному уплотнительному устройству 6. После возникновения самоподдерживающейся циркуляции газа через все контуры теплового двигателя вращение центробежного нагнетателя 7 останавливают, и он в дальнейшем принимает участие в работе лишь в качестве направляющего аппарата для потока рабочего газа. При адиабатном сжатии газа в радиальных каналах 3 от давления Р0 до давления Р1 и от температуры Т 0 до температуры T1 необходимо затратить работу сжатия Ас. Работа Ас производится над газом центробежными силами, а за счет сил Кориолиса, к вращающемуся корпусу 1 будет приложен тормозной момент. При адиабатном расширении газа в радиальных каналах 5 от давления P1 до давления Р0 и от температуры Т2 до температуры Т 3 производится работа расширения Ар. Работа Ар производится газом против центробежных сил, а за счет сил Кориолиса, к вращающемуся корпусу 1 будет приложен вращающий момент.
Согласно адиабатному закону термодинамики работа Ас, необходимая для сжатия холодного газа от Р0 до Р1 при конечной температуре Т 1, меньше Ар - работы расширения горячего газа от Р1 до Р0 при начальной температуре Т2 , так как T1<T2. Следовательно, вращающий момент, приложенный к корпусу 1, больше по величине, чем приложенный к нему же тормозной момент. Таким образом, корпус 1 теплового двигателя получает принудительное вращение, которое передается на потребителей механической энергии. Также во вращающемся корпусе 1 происходят: ввод атмосферного воздуха, его сжатие, впрыск топлива и его сгорание, расширение продуктов сгорания и вывод их в атмосферу. Эти процессы осуществляются следующим образом. При первоначальном пуске двигателя центробежный нагнетатель 19 раскручивается до высоких оборотов от какого-либо привода. За счет разрежения, создаваемого во входном осевом канале 20 центробежного нагнетателя 19, атмосферный воздух поступает в радиальные каналы 14, где сжимается адиабатически под действием центробежных сил. Далее сжатый воздух поступает в камеру сгорания 15, где производится впрыск и сгорание топлива. При этом нагретые продукты сгорания путем теплообмена передают большую часть своего тепла рабочему газу, находящемуся в каналах 4. Далее продукты сгорания поступают в радиальные каналы 17, где они адиабатно расширяются и через осевой канал 18 выводятся в атмосферу. При возникновении самопроизвольной циркуляции воздуха в каналах 14, 17 и в камере сгорания 15 центробежный нагнетатель 19 останавливают и он принимает участие в дальнейшей работе двигателя лишь в качестве направляющего аппарата для подвода воздуха. Поскольку каналы 14 для входа воздуха расположены на большем расстоянии от оси вращения, чем каналы 17, то, аналогично описанному выше для рабочего газа, за счет сил Кориолиса к вращающемуся корпусу 1 будет приложен дополнительный вращающий момент. В этом варианте исполнения центробежного теплового двигателя работа производится не только нагретым рабочим газом, но и нагретыми продуктами сгорания. Кроме того, данная конструкция двигателя позволяет исключить отдельный неподвижный теплообменник для нагрева вещества-теплоносителя, который присутствует в варианте исполнения двигателя, изображенным на фиг.2.
В предлагаемом тепловом двигателе нет многократного преобразования кинетической энергии газа в потенциальную энергию его сжатия и обратно, влекущее за собой большие потери, как в газовой турбине, поэтому при одинаковых исходных, промежуточных и максимальных значениях температур, КПД предлагаемого теплового двигателя выше, чем у газовой турбины. Для повышения удельной мощности начальное давление Р0 следует выбирать максимально высоким. Для повышения КПД преобразования тепловой энергии в механическую следует применять газ с высокой молярной массой и показателем адиабаты, например, ксенон, а также поддерживать максимально высокую окружную скорость вращающегося цилиндрического корпуса, что влечет за собой больший перепад давлений и температур.
Тепловой двигатель, изображенный на фиг.4, состоит из корпуса 1, вращающегося в подшипниках 2. Внутри корпуса 1 размещены радиальные каналы воздуха 14, идущие от оси вращения к периферии корпуса 1, периферийные каналы 4, расположенные вблизи от наружной поверхности корпуса 1, и радиальные каналы газов 17, идущие от периферии к оси вращения корпуса 1. Подвод воздуха из атмосферы в радиальные каналы 14 корпуса 1 производится через осевой канал 20 и центробежный нагнетатель 19. Отвод воздуха (газов) из корпуса 1 в атмосферу производится через осевой канал 18. Вход воздуха в радиальные каналы 14 происходит на большем удалении от оси вращения корпуса 1, чем выход газов из радиальных каналов 17 по осевому каналу 18. Центробежный нагнетатель 19 имеет возможность независимого вращения внутри корпуса 1 от какого-либо дополнительного привода. По топливопроводу 16 топливо подается в периферийные каналы 4, где происходит его распыление и сгорание.
Тепловой двигатель, изображенный на фиг.4, работает следующим образом.
Перед началом работы двигателя корпус 1 раскручивается от какого-либо источника вращательного движения (стартера) до высоких оборотов, а крыльчатка центробежного нагнетателя 19 также раскручивается в том же направлении вращения, что и корпус 1, но до более высоких оборотов. За счет разрежения, создаваемого центробежным нагнетателем, через осевой канал 20 воздух при начальном (атмосферном) давлении Р0 и начальной (атмосферной) температуре Т0 начинает поступать по оси вращения в центробежный нагнетатель 19 и далее - в радиальные каналы 14. Проходя через радиальные каналы 14 от оси вращения к периферии корпуса воздух под действием центробежной силы адиабатически сжимается до давления Р1 при этом его температура возрастает до значения Т1. Далее воздух проходит по периферийным каналам 4, куда по топливопроводу 16 впрыскивается и поджигается топливо. За счет теплоты сгорания топлива воздух в периферийных каналах 4 нагревается изобарически при давлении P1 до температуры Т2. После прохождения периферийных каналов 4 сжатый и нагретый воздух вместе с продуктами сгорания топлива поступает в радиальные каналы 17. Соотношение длины радиальных каналов 14 и 17 и расстояние входа в каналы по отношению к расстоянию выхода из каналов относительно оси вращения корпуса 1 подобраны таким образом, что в каналах 17 газ адиабатически расширяется до давления Р2, охлаждаясь при этом до температуры Т3. Через осевой канал 18 газы при давлении Р2 и температуре Т3 выходят в атмосферу, где изобарически охлаждаются до Т0. Теоретически Р2 может быть равно Р0, но, для возникновения самоподдерживающейся циркуляции воздуха в каналах предлагаемого двигателя, Р2 должно быть немного выше, чем Р 0. Из формул адиабатического закона следует, что Т 0<Т2. После возникновения самоподдерживающейся циркуляции воздуха через все каналы теплового двигателя вращение центробежного нагнетателя останавливают, и он в дальнейшем принимает участие в работе лишь в качестве направляющего аппарата для потока воздуха. При адиабатном сжатии воздуха в радиальных каналах от давления Р0 до давления P1 и от температуры Т0 до температуры Т1 необходимо затратить работу сжатия Ас. Работа Ас производится над воздухом центробежными силами, а за счет сил Кориолиса, к вращающемуся корпусу 1 будет приложен тормозной момент. При адиабатном расширении газов в радиальных каналах 17 от давления Р1 до давления Р0 и от температуры Т2 до температуры Т3 производится работа расширения Ар. Работа Ар производится газами против центробежных сил, а за счет сил Кориолиса, к вращающемуся корпусу 1 будет приложен вращающий момент.
Согласно адиабатному закону термодинамики работа Ас, необходимая для сжатия холодного воздуха от Р0 до Р1 при конечной температуре T1 меньше Ар - работы расширения горячего воздуха от Р1 до Р0 при начальной температуре Т2, так как Т1<Т2 . Следовательно, вращающий момент, приложенный к корпусу 1, больше по величине, чем приложенный к нему же тормозной момент. Таким образом, корпус 1 теплового двигателя получает принудительное вращение, которое передается на потребителей механической энергии. В предлагаемом тепловом двигателе нет многократного преобразования кинетической энергии газа в потенциальную энергию его сжатия и обратно, влекущее за собой большие механические потери, как в газовой турбине, поэтому механический КПД предлагаемого теплового двигателя выше, чем у газовой турбины. Для повышения удельной мощности и теплового КПД преобразования тепловой энергии в механическую следует поддерживать максимально высокую окружную скорость вращающегося цилиндрического корпуса, что влечет за собой больший перепад давлений и температур.
Расчеты показывают, что при применении воздуха с молярной массой М=0,029 кг/моль в качестве рабочего тела, и при окружной скорости V=400 м/с, повышение температуры воздуха при его сжатии составит:
dT=M×V×V/(2×Cp)=M×V×V/(2×3,5×R)=0,029×400×400/(2×3,5×8,31)=80 град К.
Соответственно, термический КПД, при начальной температуре То=300 град К, составит:
КПД=dТ/То+dТ=80/(300+80)=0,21=21%.
При окружной скорости V=500 м/с dT будет равно 124 град К, а КПД=29%.
При окружной скорости V=600 м/с dT будет равно 179 град K, а КПД=37%.
При окружной скорости V=700 м/с dT уже будет равно 244 град K, а КПД=45%.
1. Тепловой двигатель для преобразования тепловой энергии в механическую, использующий в качестве рабочего тела газ, состоящий из последовательно соединенных между собой камеры сжатия рабочего тела, камеры нагрева рабочего тела, камеры расширения рабочего тела и камеры охлаждения рабочего тела, выполненный в виде вращающегося корпуса, имеющего радиальные каналы и каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, при этом радиальные каналы, идущие от оси вращения к периферии корпуса, служат камерой сжатия рабочего тела, каналы, расположенные ближе к периферии корпуса, служат камерой нагрева рабочего тела, каналы, идущие от периферии к оси вращения корпуса, служат камерой расширения рабочего тела, причем сжатие и расширение рабочего тела в радиальных каналах вращающегося корпуса происходит в поле центробежных сил, отличающийся тем, что рабочее тело вводится в радиальные каналы вращающегося корпуса, идущие от оси вращения к периферии, на более удаленном расстоянии от оси вращения, чем выводится из радиальных каналов вращающегося корпуса, идущих от периферии к оси вращения, проходя между выходом и входом через холодильник, служащий камерой охлаждения рабочего тела.
2. Тепловой двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела применен газ с большой молярной массой, например ксенон или фторид серы (элегаз).
3. Тепловой двигатель по п.1, отличающийся тем, что нагрев рабочего тела в периферийных каналах осуществляется тепловым излучением от нагревателя, размещенного с зазором вокруг вращающегося корпуса.
4. Тепловой двигатель по п.1, отличающийся тем, что нагрев рабочего тела в периферийных каналах осуществляется в теплообменнике, имеющем тепловой контакт с периферийными каналами, посредством теплопередачи от нагретого вещества-теплоносителя.
5. Тепловой двигатель по п.4, отличающийся тем, что в качестве вещества-теплоносителя применен газ с небольшой молярной массой, например водород или гелий.
6. Тепловой двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела применен атмосферный воздух, его нагрев в периферийных каналах осуществляется за счет тепла, выделяемого при впрыске и сгорании топлива в периферийных каналах, а в качестве камеры охлаждения рабочего тела используют атмосферу.
7. Тепловой двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве холодильника рабочего тела используют неподвижный охлаждаемый теплообменник, связанный через уплотнительные устройства и трубопроводы с входными и выходными каналами вращающегося корпуса.
